比例電磁閥內置式CDC減振器設計與驗證

丁二名,戴開宇

(1.蒂森克虜伯普利斯坦汽車零部件(上海)有限公司,上海 200122; 2.江蘇大學 機械工程學院,江蘇 鎮江 212013)

引言

自2016年以來,在全球能源緊張和國內“雙碳”政策的驅動下,新能源電動汽車在全球范圍內取得了較快的發展,懸架系統電控化也成為繼電動助力轉向[1-3]、電動助力制動[4-6]后推動汽車底盤電動化[7-9]

的又一大助力。連續阻尼可調(Continuously Damping Control,CDC)減振器是電控懸架系統[10]的重要配置之一,能夠結合不同的上層控制邏輯及策略[11-12],持續的改變懸架系統的阻尼,為整車的舒適性提供更多的乘坐場景體驗,同時對車輛的操穩性和安全性提供更為強大的保障[13-14]。CDC減振器從原理上可分為流體黏度可調和節流口可調兩大類[15-17]。流體黏度可調減振器主要有磁流變液和電流變液兩種形式,主要依靠電磁或電流來控制油液的黏度持續變化以達到阻尼調節的功能,但此類技術對油液的物性可控性要求較高,對電磁或電流的控制要求也較高,因此,制作成本非常高,無法在常規車輛中進行普及。節流口連續可調減振器是在常規減振器的基礎上集成一個調節閥口流量或壓力的比例電磁閥,來實現阻尼范圍的擴展[18-20]。其相對流體黏度可調減振器在技術成熟度和成本上具有較大的經濟優勢,已開始逐漸向中低端車型的電控底盤懸架系統推廣。

本研究介紹一種比例電磁閥內置式CDC減振器,對其內部結構及工作時的油液流動方向進行分析,通過參數化建模獲得其阻尼可調范圍,并通過實物樣件制作和試驗來驗證理論模型的正確性,為該CDC減振器的開發研究和整車調校應用提供理論指導。

1 結構及工作原理

1.1 減振器結構

如圖1所示為所設計電磁閥內置式CDC減振器的機械結構簡圖,主要由外管、內管、底蓋、底閥總成及活塞桿總成組成。其中,底閥總成主要包含底閥閥體及上下兩側的補償閥和壓縮閥; 活塞桿總成包含活塞桿、活塞、復原閥、流通閥、可調閥組1/2及起到調節功能的比例電磁閥總成。電磁閥總成被集成固定在活塞桿的腔體內,并配置相應的滑片閥門與其銜鐵相連。活塞將內管內的空間隔離為上側的復原腔和下側的壓縮腔,底閥處于內管的最下端,與內管、外管之間的空間形成儲油腔。

1.活塞桿 2.內管 3.外管 4.電磁鐵 5.滑片閥門 6、7.可調閥組1/2 8.流通閥 9.復原閥 10.補償閥 11.壓縮閥 12.底閥閥體 13.活塞 14.銜鐵 16.復位彈簧

1.2 工作原理

如結構圖1a中的箭頭線所示,當減振器處于復原行程時,活塞桿相對于內管向上運動,復原腔的容積變小,其內的油液經過活塞桿殼體和內管外壁間的徑向間隙后由兩路流到壓縮腔:一路是經過流道Ch1,Ch2和流道Ch3,而且該路油液要分別要經過滑片閥門和可調閥組2以形成所需的阻尼;另一路則經過活塞流道Ch4,并要經過復原閥以形成相應的阻尼。而隨著壓縮腔的容積變大,儲油腔內的油液經過底閥閥體上流道Ch5和Ch6補充到壓縮腔中,此路的油液要穿過補償閥以產生相應的阻尼。

如結構圖1b中的箭頭線所示,當減振器處于壓縮行程時,活塞桿相對于內管向下運動,隨著壓縮腔容積的減小,油液經過兩路流到復原腔:一路為經過流道Ch3,Ch7和Ch1,此路需要穿過可調閥系1和滑片閥門形成必要的阻尼;另一路則經過活塞上流道Ch8,此路會穿過流通閥形成相應的阻尼。同時,還有一部分壓縮腔中的油液通過底閥閥體中的流道Ch9和Ch5后進入儲油腔,該路油液穿過壓縮閥形成相應的阻尼。

圖2所示為其中的滑片閥門及其對應閥體的截面示意圖。滑片閥門在比例電磁鐵的吸力和復位彈簧力的雙重作用下沿著靜鐵芯內壁作軸向往復運動,并且可以在有效行程內的任意位置停留。因此,滑片閥門的節流窗口與閥體流道窗口重合部分所形成的節流口面積隨著激勵電流的連續變化而變化,來實現節流口流量壓差的持續調節,達到對減振器阻尼的連續控制。

圖2 滑片閥門結構設計

2 數模模型

2.1 復原行程建模

根據對該CDC減振器工作原理的分析,擬定其對應的液壓原理圖。圖3a 所示為復原行程時減振器油路的等效液壓原理圖。從復原腔和儲油腔流入壓縮腔的油液流量Q12和Q32可分別表示為:

(1)

圖3 等效液壓原理圖

式中,Ap,Ar——活塞和活塞桿的截面面積,m2

vr——活塞桿復原行程的速度,m/s

流經滑片閥門的壓降可表示為:

(2)

式中,Cd——閥口流量系數

ρ——油液密度,kg/m3

Q122——流經滑片閥門的流量,m3/s

Asli——滑片閥門節流口面積,m2

流經可調閥組2的壓降表示為:

(3)

式中,At2——可調閥組2的節流口面積,m2

流經復原閥的壓降表示為:

(4)

式中,Q121——流經復原閥的流量,m3/s

Areb——復原閥節流口面積,m2

根據液壓油路的串并聯原理有:

(5)

聯立式(1)～式(5),可求得:

(6)

(7)

(8)

其中,Asli是滑片閥門的節流口面積,由比例電磁鐵行程及滑片閥門節流口形狀決定,此處表示為:

(9)

式中,x——電磁鐵實際行程,m

f(x)——滑片節流口形狀函數,m

流經補償閥的壓降可表示為:

(10)

式中,Q32——流經補償閥流量,m3/s

Acomp——補償閥節流口面積,m2

儲油腔壓力可表示為:

(11)

式中,pg0,pg——初始充氣壓力和動態氣體壓力,Pa

Vg0——初始充氣體積,m3

復原行程的阻尼力可表示為:

Freb=(Ap-Ar)Δpreb+ArΔpcomp-Arp3

(12)

將式(8)、式(10)和式(11)代入式(12),可求解獲得該CDC減振器復原行程的阻尼力值。

2.2 壓縮行程建模

圖3b所示為壓縮行程時減振器油路的等效液壓原理圖。從壓縮腔流入到復原腔和儲油腔的油液流量Q21和Q23可分別表示為:

(13)

式中,vc——活塞桿壓縮速度,m/s

流經可調閥組1的壓降為:

(14)

式中,Q212——流經可調閥組1的流量,m3/s

At1——可調閥組1的節流口面積,m2

此時流經滑片閥門的壓降變為:

(15)

流經流通閥的壓降為:

(16)

式中,Q211——流經流通閥的流量,m3/s

Aflow——流通閥的節流口面積,m2

同樣,根據液壓油路的串并聯原理有:

(17)

聯立式(13)～式 (17),可求得:

(18)

(19)

(20)

通過壓縮閥的壓降為:

(21)

此時儲油腔壓力可表示為:

(22)

式中,Q23——流經壓縮閥的流量,m3/s

Acom——壓縮閥的節流口面積,m2

壓縮行程的阻尼力可表示為:

Fcom=(Ap-Ar)Δpflow+ArΔpcom+Arp3

(23)

將式(8)、式(10)和式(11)代入式(12),可求解該CDC減振器復原行程的阻尼力值。

3 仿真與實驗

3.1 仿真參數設置

依照前面所述的分析過程,利用Simulink軟件搭建該CDC減振器的阻尼力仿真模型。如圖4a所示為對應仿真模型,圖4b給出了復原行程具體的建模過程,圖4c給出了從激勵電流到滑片閥門節流面積的仿真模型。

圖4 阻尼力仿真建模

基于某電動汽車后輪CDC減振器的結構參數設計如表1所示,仿真激勵參數按表2進行設定。

表1 CDC減振器參數

表2 激勵參數

3.2 仿真分析

圖5給出了不同激勵電流下該CDC減振器示功特性的仿真結果。結果表明,當激勵電流增大時該CDC減振器的做功量是不斷減小的。具體來說,當激勵電流從0 A上升到1.6 A時,其復原行程最大阻尼力由4914 N下降到1331.8 N,可調范圍增加了約72.9%;而其壓縮行程最大阻尼力由1937.7 kN下降到1415.4 N,可調范圍增加了約26.95%。

圖5 示功特性仿真結果

進一步地,激勵電流從0 A增加到0.4 A時,該減振器做功量的調節范圍變化率較小,激勵電流從0.4 A 增加到1.4 A時該減振器的調節范圍變化率較大,從1.4 A切換到1.6 A時其調節范圍變化率又變得緩慢下來。這是因為節流面積變化的速度隨著激勵電流的增加是先增大后減小的。

圖6所示為不同激勵電流下該CDC減振器阻尼力-速度特性曲線的仿真結果。結果表明,各激勵電流下復原行程和壓縮行程的特性曲線均由兩段組成,阻尼力在“拐點速度”前呈現出明顯的非線性關系,在“拐點速度”后基本呈現出線性關系。當激勵電流增大時,其速度特性曲線的斜率在相應的減小,其 “拐點速度”也相應的變大,這是因為當相對運動速度小于“拐點速度”時,流經各個阻尼閥系的油量較少,其阻尼由各個阻尼閥系中的阻尼孔產生,而當相對運動速度大于“拐點速度”時,流經各個閥系的油量較大,其阻尼由各個閥系的阻尼孔、閥片形變后的溢流口及滑片閥門開口共同形成,當激勵電流增大時,電磁閥的滑片閥門開口也相應的增大,致使“拐點速度”也變大。

圖6 速度特性仿真結果

3.3 實驗分析

如圖7所示為實驗所獲得該CDC減振器的示功特性曲線。結果顯示,各個激勵電流下的特性曲線較為飽和且完整,且與仿真結果的趨勢基本吻合。其中,示功特性圖中最大阻尼力在復原行程時略微向零點右側偏移,而在壓縮行程時略微向零點左側偏移,這是因為臺架中工裝夾具存在慣性所導致。

圖7 示功特性實驗結果

如圖8所示為實驗所獲得該CDC減振器的速度特性曲線。

圖8 速度特性實驗結果

表3和表4分別列出了不同激勵電流時復原和壓縮行程中最大速度下的阻尼力仿真值與試驗值對比,整體上實驗數據比較仿真數據大,這是因為仿真時未考慮實物樣件存在摩擦力的情況,但兩者相對誤差均小于10%,可見仿真模型搭建正確可靠,可作為后續參數分析的基礎。

表3 復原行程最大阻尼力仿真與實驗對比

表4 壓縮行程最大阻尼力仿真與實驗對比

4 結論

(1) 設計了一種比例電磁閥內置式CDC減振器,基于流體力學搭建了其阻尼力模型,通過仿真和實驗的方法獲得了其阻尼特性曲線,對比顯示仿真與實驗相對誤差小于10%,表明仿真模型準確有效;

(2) 該CDC減振器的阻尼力隨著激勵電流的增大而減小,且這種減小趨勢的速率隨著激勵電流的增加先增加后減小;

(3) 速度特性曲線的斜率在“拐點速度”之前逐漸變大,在“拐點速度”之后基本不變,當激勵電流增大時速度特性曲線的斜率在逐漸減小;

(4) 該CDC減振器的復原行程的阻尼力可調范圍為1544～4914 N,壓縮行程的阻尼力可調范圍為-1415～-1937.7 N。可為其在后續整車上的調校提供理論依據。